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Laboratoire de micromécanique et intégrité des structures (Mist)

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Dernière mise à jour en octobre 2018

 

Le Laboratoire de micromécanique et intégrité des structures (Mist) est un laboratoire

« sans mur » commun au CNRS et à l’IRSN. Il associe les moyens de recherche des deux organismes dans le domaine des comportements des matériaux et des structures soumis à des ambiances nocives : ceux du Pôle de Sûreté nucléaire-Recherche en sûreté (PSN-RES) de l'IRSN à Cadarache, et ceux du Laboratoire de mécanique et génie civil (LMGC) à Montpellier pour le CNRS et l'Université de Montpellier.

 

Contexte et thématiques de recherche

 

L’objectif du Mist est d’étudier l’intégrité des structures hétérogènes et évolutives. Il s’agit de comprendre et de prédire le comportement des matériaux et des structures ainsi que les évolutions microstructurales que subissent les matériaux dans des ambiances nocives telles que les sollicitations thermomécaniques fortes ou le vieillissement naturel et induit. Ces ambiances se retrouvent notamment dans le domaine nucléaire : cœur de centrale, enceintes de confinement, stockage de déchets, etc.

Le Mist vise à résoudre notamment deux types de problèmes : 

  • La mécanique rapide. La modélisation du comportement des matériaux et structures nucléaires en situation accidentelle est dans certains cas fortement conditionnée par l’analyse de phénomènes rapides. Il peut s’agir de problèmes de dynamique globale ou locale dont l’analyse et la compréhension exigent de franchir une étape expérimentale alors que les codes de calcul sont souvent déjà à même de traiter ce genre de problèmes. 
  • Les évolutions microstructurales. L’enjeu est de prévoir le comportement des matériaux et des structures hétérogènes après un temps de séjour prolongé dans une ambiance fortement néfaste pour leur intégrité : évolution de la concentration des phases et de leurs propriétés, rôle de chaque phases sur le comportement global, rôle des précipités solides et gazeux, rôle d'une collection multimodale de grains, etc… Dans le domaine nucléaire, cet enjeu relève de la modélisation et de la simulation numérique du fait de l'impossibilité de mesures expérimentales directes.

 

Plusieurs thématiques de recherche sont abordées dans une démarche couplée d’analyse expérimentale des matériaux, de modélisation de leur comportement et de prédiction par simulation numérique.

 

Il s’agit d'une part de comprendre les comportements thermomécaniques non linéaires des matériaux constitutifs des crayons combustibles (combustible lui-même et son gainage), et de les prédire à l’aide d’outils de modélisation, sachant que :

  • Les combustibles relèvent de la classe des céramiques poreuses à haute température : en compression leur comportement est de type hydro-poro-mécanique et inclut de l’élasticité, du fluage et de la plasticité ; en traction, il s’agit plutôt de matériaux élastiques fragiles à faible contrainte de rupture. 
  • Les gainages sont assimilables à des composites multi-couches à matrice métallique et à gradient de propriétés intracouche (présence de plaquettes d’hydrure), considérés comme des solides continus (avec discontinuités internes telles que fissures ou changements de phase), ou comme milieux granulaires.

 

Il s’agit d’autre part de comprendre les comportements thermo-chimio-hydromécaniques des matériaux cimentaires constitutifs des pièces massives des réacteurs nucléaires (enceinte de confinement, radier, etc.). Le béton est un matériau composite hétérogène multiphasique poreux composé d’un squelette granulaire enrobé d’une pâte de ciment hydraté. Il possède une dissymétrie du comportement en traction et compression (forte résistance à la compression et faible résistance à la traction). Son comportement est considéré poro-viscoélastique auxquelles se rajoutent des déformations différées (retrait de dessiccation, fluage, pathologies) et de l’endommagement par microfissuration.

 

Pour cela, le laboratoire Mist est organisé en trois Opérations de Recherche : 

 

Changements d’échelle : descriptions microstructurales, comportements équivalents, propagations d'incertitudes

 

Les transitions d’échelles envisagées en support de la mécanique des matériaux pour aborder les problèmes de stabilité d’assemblages fragmentés, de plasticité granulaire sous sollicitation complexe sont de plusieurs types : 

  • les transitions micro-méso (du grain à la collection de grains) et méso-macro (de la collection de grains à la prise en compte des macro-hétérogénéités : fissures, précipités, hydrures, inclusions de plutonium, des déformations différées des bétons telles que les réactions de gonflement interne) ;
  • les échelles inférieures à la mécanique des milieux continus ou discrets (typiquement, de la dynamique moléculaire aux propriétés microscopiques) et les transitions micro-macro directes lorsque les séparations d’échelles micro-méso-macro sont a priori abusives.

 

Fissuration-fragmentation : tenue des matériaux et des structures en relations avec les évolutions microstructurales

 

L’objectif est de mettre en place des modèles de zone cohésive pour la modélisation de la fissuration et de la fragmentation de matériaux hétérogènes. Il s’agit également de développer des méthodes numériques associées :

  • Identification de modèles de zone cohésive appliqués aux matériaux du nucléaire (gaines du combustible, combustible nucléaire, matériaux cimentaires, aciers) ;
  • Détermination de critères de rupture intra ou interphase. Cette thématique essentiellement expérimentale concerne les alliages métalliques hétérogènes mais aussi les matériaux cimentaires ;
  • Développement de méthodes numériques précises pour modéliser la multifissuration et la rupture en prenant en compte les hétérogénéités complexes et les couplages multiphysiques ;
  • Optimisation de méthodes numériques relatives à la fissuration et à la fragmentation de matériaux hétérogènes.

 

Couplages multiphysiques : influence des environnements nocifs sur le comportement thermomécanique des matériaux

 

L’objectif est de comprendre et modéliser des couplages multiphysiques dans les domaines du combustible nucléaire et du vieillissement du béton sain ou potentiellement atteint de pathologies physico-chimiques :

  • le comportement des gaz de fission et leur influence sur le comportement du combustible nucléaire ; 
  • la microstructure évolutive des gainages par diffusion/précipitation d’hydrogène, d’oxygène, d’azote sous chargement thermomécanique ; 
  • la microstructure évolutive de bétons par diffusion/dissolution/précipitation d’espèces chimiques sous chargement thermomécanique complexe ;
  • le couplage entre la fissuration et la diffusion d’espèces dans un milieu granulaire poreux ;
  • les écoulements de fluides ou de gaz à travers des milieux continus poreux ou des milieux granulaires, et notamment la rupture d’équilibre d’un milieu fragmenté, qui s’apparente à de la liquéfaction de milieux granulaires.

 

Il est à noter que les trois Opérations de recherche utilisent des techniques d’iIdentifications expérimentales par mesures de champs. Cette thématique constitue aussi une thématique de recherche à part entière du fait de l'originalité des applications visées. Il s'agit de développer des méthodes expérimentales adaptées à l'identification de lois de comportement volumique complexes relevant des matériaux hétérogènes, de modèles de zone cohésive et à diverses problématiques inverses. Ces méthodes sont essentiellement basées sur de l’imagerie mécanique (corrélation d’images ou thermographie infrarouge).

Coupe d'un crayon combustible perpendiculairement à son axe. A gauche le combustible ceramique poreuse

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